面结构光三维测量系统的精度研究
结构光三维测量系统精度分析及验证
结构光三维测量系统精度分析及验证范生宏;刘昌儒;亓晓彤;曹冬雨;张丽华;吴亚军;王孟【摘要】文中建立了结构光测量系统数学模型，并分析了结构光测量精度的影响因素。
同时在结构光光条图像处理中改进了原有方法，使用了一种新的快速光条中心提取算法。
文章通过设计标准板进行了精度检测实验，分析了系统对标准宽度和深度的测量精度。
实验结果表明，该测量方法对深度的检测精度优于0.2 mm，对宽度的检测精度优于0.3 mm，可以满足亚毫米级微小变形检测的精度要求，是一种有效的微小变形检测和三维测量方法。
%The mathematical model of structure light measurement system is established, and the factors influencing the measurement accuracy are analyzed. At the same time, a fast new light strip center edge extraction algorithm is used in the image processing method, which improves the extraction accuracy distinctly. The accuracy testing experiments are designed and analyzed by standard plate. The experimental results show that the measurement accuracy of this method is better than that of 0.2mm and 0.3mm, and reached in the detection depth and width on the regular groove, which can fully meet the requirements of sub-millimeter small deformation detection accuracy. It is an effective detection method.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P52-56)【关键词】结构光;微小变形;标定;精度分析;验证【作者】范生宏;刘昌儒;亓晓彤;曹冬雨;张丽华;吴亚军;王孟【作者单位】中国矿业大学北京地球科学与测绘工程学院，北京 100083;中国矿业大学北京地球科学与测绘工程学院，北京 100083;中国地质大学北京土地科学与技术学院，北京 100083;北京控制工程研究所，北京 100190;北京控制工程研究所，北京 100190;中国矿业大学北京地球科学与测绘工程学院，北京100083;中国矿业大学北京地球科学与测绘工程学院，北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TP391现代工业制造已经得到了飞速发展，同时对工业精密测量技术提出了新的要求。
面结构光法
面结构光法
面结构光法是一种基于图像处理技术的三维形状测量方法，其原
理是利用光线在物体表面的反射和折射来获取物体表面的形状信息。
该方法通过将光源和相机固定在一定的位置和角度，对物体进行非接
触式扫描，得到一组二维图像，并通过图像匹配和三角测量等技术方法，计算出物体表面的三维坐标信息。
面结构光法可以应用于工业、医疗、文化遗产等多个领域，例如
在工业领域中，可以用于零件的尺寸测量和表面缺陷检测等方面。
在
医学领域中，可以用于牙齿和骨骼的形状分析和重构等研究。
在文化
遗产领域中，可以用于古建筑和文物的保护和修复等方面的研究。
由于面结构光法具有无接触、高精度和非破坏性等优点，近年来
得到了广泛的应用和研究。
同时，随着计算机硬件和软件的不断发展，面结构光法在成像速度和图像处理方面也得到了不断提升和改善，为
其更广泛的应用提供了有力的支持。
面结构光三维系统相位测量精度研究
摘要随着光学三维传感技术的广泛应用，其精度要求也日益变得苛刻。
面结构光三维测量技术以其高速、高精度、非接触等优点备受关注，它是一种主动的非相干光学三维传感技术。
面结构光三维测量技术是通过向物体投射面结构光，然后获取被待测物体表面三维面形调制后的图像，解调出待测物体的相位信息，最后通过相位与高度关系可以得到物体表面的三维形貌数据。
相位测量的精度直接影响物体重建面形的测量精度，因此相位精度问题是面结构光三维测量中的关键问题之一，是研究热点与难点。
本文主要围绕相位测量轮廓术与相位测量偏折术的高精度测量展开研究。
论文的主要研究内容包括：1.面结构光三维测量系统相位精度影响因素分析；阐述了相位测量轮廓术与相位测量偏折术这两种测量技术的基本原理、相位解调算法、相位展开算法以及高度重建算法等，分析了面结构光三维测量相位测量精度的影响因素，主要包括：相位解调算法与相位展开算法等导致的噪声问题、系统的随机噪声、由于相位测量轮廓术系统中其他点的镜面分量引起的多次反射问题、系统非线性Gamma效应引起的相位非线性误差等。
这些因素将导致相位测量不准确，降低测量精度。
2.面结构光三维测量中多次反射消除方法的研究分析；研究分析了相位测量轮廓术中存在的多次反射问题。
首先分析了相位测量轮廓术中多次反射问题存在的原因与影响，采用基于高频编码正弦条纹的方法，将相位误差降低了1.3倍，减小了相位测量轮廓术测量系统中多次反射对相位的影响，提高了相位测量精度。
3.面结构光三维测量中非线性误差的消除；本文着重阐述了系统非线性Gamma效应对相位测量精度的影响，并分析比较了相位测量轮廓术与相位测量偏折术中非线性的差异。
分析了预先畸变条纹补偿法与基于三次样条插值的光强补偿法两种方法，基于此提出一种基于线性拟合的相位误差补偿方法。
通过仿真与实验结果分析，证明了该方法的有效性与可靠性，该方法将非线性相位误差降低了20倍。
此外，本文还将几种补偿方法进行了实验分析对比，实验结果表明：基于三次样条插值的光强补偿法补偿效果最差，非线性相位误差降低了5倍，本论文提出的方法补偿效果最佳，大大降低了非线性相位误差。
结构光对物体的轮廓的三维测量(最全版)PTT文档
论文的作用和目的
本文对结构光测量技术进行研究，并 阐述其基本原理和关键技术 。就利用 结构三维测量技术对物体的三维轮廓进 行了深入研究，用计算机设计好的正弦 光栅投影到参考面和被测物体表面上， 由照相机获取参考面和被测物体表面的 变形图纹，通过图像预处理、相位主值 计算、相位展开、系统标定、三维数据 计算等技术最后通过Matlab软件得到被 测物体表面的三维轮廓。
随着现代制造业的快速发展，航空航天、汽车等大型制造业对质量控制提出了更高的要求，且由于这些行业的产品一般大而重，往往 需要将质量问题在现场实时解决。 首先用计算机设计好的正弦光栅投影到参考面和被测物体表面上，用照相机获取参考面和被测物体表面的变形条纹如下图 本实验是根据结构光法测量原理对物体的三维轮廓进行测量。 得到参考面和被测物体表面条纹图后，经过图像处理，利用FTP方法计算被测物体和参考面的相位差，最后进行相位展开，得到展开 后的相位差分布如下图，图（a）为折叠相位图（b）为相位展开后的结构 本文对结构光测量技术进行研究，并阐述其基本原理和关键技术 。 由于三维测量的复杂性和特殊性，一直是科技界努力突破的技术难题。 正是基于这种需求，近20年来各种便携式光学三维测量技术相继问世，其中结构光三维测量技术由于具有便携性强、测量速度快、测 量精度高等优点，已成为目前使用最为广泛的一种三维测量技术。
结构光三维测量系统建模与标定技术的研究的开题报告
结构光三维测量系统建模与标定技术的研究的开题报告一、选题背景随着3D打印、工业制造、计算机视觉等技术的快速发展，3D测量技术也变得越来越重要。
而结构光三维测量技术是一种非接触式、高精度的3D测量方法，已广泛应用于工业制造、精密加工、医疗、文化遗产保护等领域。
在结构光三维测量系统中，建模和标定是关键技术之一。
建模技术用于提取物体表面的三维几何形状信息，标定技术则用于校正系统误差，提高测量精度。
因此，研究结构光三维测量系统建模和标定技术，对于提高结构光三维测量技术的精度和可靠性具有重要意义。
二、研究目的与意义本研究旨在探索结构光三维测量系统建模与标定技术，具体包括以下几个方面：1.研究结构光三维测量系统的工作原理和测量误差来源，建立系统误差模型，定量分析误差来源。
2.针对系统误差，研究建模技术，提出细分光栅、拟合曲面等方法，对物体进行三维重建和表面拟合。
3.研究标定技术，提出基于多个平面标定板的标定方法，实现系统的精确校准，并对系统进行误差分析和校正。
通过上述工作，可实现结构光三维测量系统的精确测量，提高测量精度和可靠性，为工业制造、精密加工、医疗、文化遗产保护等领域提供有效的技术支持。
三、拟解决的问题1.当前结构光三维测量技术存在精度不高、测量误差较大等问题，不能满足高精度测量的需求。
2.目前结构光三维测量系统建模和标定技术不够完善，需要进一步深化研究。
3.缺乏有效的标定方法，导致系统误差无法得到有效减小。
四、研究内容与方法1.系统分析结构光三维测量系统的工作原理和测量误差来源，建立系统误差模型。
2.针对系统误差，研究建模技术，提出细分光栅、拟合曲面等方法，对物体进行三维重建和表面拟合。
3.研究标定技术，提出基于多个平面标定板的标定方法，实现系统的精确校准。
4.实验验证研究方法的有效性与可行性。
五、预期成果1.研究结构光三维测量系统建模与标定技术，提出细分光栅、拟合曲面等方法，实现对物体表面的三维几何形状信息的提取和表面拟合。
基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究
基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究一、本文概述随着计算机视觉和光电技术的快速发展，三维测量技术在许多领域，如工业制造、生物医学、文化遗产保护以及虚拟现实等，都展现出了巨大的应用潜力。
其中，基于数字光栅投影的结构光三维测量技术以其高精度、高效率、非接触性等优点，成为了研究的热点。
本文旨在深入探讨这种技术的原理、系统构成以及在实际应用中的优势和挑战，以期为相关领域的科研和工程实践提供理论支持和实践指导。
本文将详细介绍基于数字光栅投影的结构光三维测量技术的基本原理，包括数字光栅投影的原理、结构光的生成与编码、以及相机与投影仪的标定等。
文章将构建一个完整的结构光三维测量系统，包括硬件选择和配置、软件系统设计和实现等，并对系统的性能进行评估。
本文还将探讨该技术在不同应用场景下的适用性和限制，如动态物体的测量、复杂表面的处理等。
本文将总结基于数字光栅投影的结构光三维测量技术的发展趋势和前景，分析当前存在的技术瓶颈和挑战，并提出相应的解决方案。
通过本文的研究，期望能为结构光三维测量技术的进一步发展和应用提供有益的参考和启示。
二、结构光三维测量技术基础结构光三维测量技术是一种非接触式的三维重建方法，它利用结构光编码和解码的原理，通过对物体表面投射特定的光栅条纹，结合摄像机获取的图像信息，实现物体表面的三维形态重建。
结构光三维测量技术以其高精度、高效率、易操作等优点，在机器视觉、逆向工程、质量检测等领域得到了广泛的应用。
结构光三维测量技术的基本原理是将特定的光栅条纹投影到物体表面，这些条纹在物体表面形成特定的变形。
摄像机捕捉到变形后的条纹图像后，通过解码算法提取出条纹的变形信息，进而恢复出物体表面的三维形态。
其中，光栅条纹的生成和投影是结构光三维测量的关键步骤，常见的光栅条纹有正弦条纹、二值条纹等。
在结构光三维测量系统中，摄像机和投影仪是两个核心组件。
摄像机负责捕捉投影到物体表面的条纹图像，而投影仪则负责生成并投影光栅条纹。
面结构光三维测量的原理
面结构光三维测量的原理面结构光三维测量是一种常用的非接触式三维测量方法，可以通过投射结构光对被测物体进行三维重建。
其原理基于三角测量原理和结构光原理。
首先，我们来看三角测量原理。
三角测量是利用三角形的几何关系来测量物体的位置、距离和形状的方法。
在面结构光三维测量中，主要使用的是空间三角测量，即通过计算被测物体表面上的某一点在相机和投影仪之间形成的三角形，从而求解出该点在空间中的坐标。
其次，结构光原理也是面结构光三维测量的基础。
结构光是指将光源发出的光束经过特殊处理（例如透镜、投影仪等），在被测物体表面上形成一定的光模式。
这个光模式可以是条纹、点阵等。
当这些光模式照射到被测物体表面上时，会发生光的反射、散射和折射等现象，形成一系列特定的影像。
通过对这些影像进行分析处理，就可以得到被测物体表面上各点的三维坐标信息。
基于以上两个原理，面结构光三维测量通常可以分为三个步骤：投影、成像和三维重建。
在投影阶段，投影仪将事先计算好的结构光模式投射在被测物体表面上。
这些结构光模式可以是一组条纹、点阵或者其他形式的光模式。
在投影过程中，需要注意光源、投影仪和被测物体之间的相对位置关系，以及选用适当的光源和投影仪。
在成像阶段，使用相机对投影在被测物体表面上的结构光进行拍摄。
相机接收到被测物体上反射、散射或折射的结构光，将其转换为数字图像。
在三维重建阶段，通过对拍摄到的图像进行处理，可以恢复出被测物体表面上各点的三维坐标信息。
常用的处理方法包括相位偏移法和立体匹配法。
相位偏移法是利用结构光模式的相位信息来计算物体表面上各点的三维坐标。
结构光模式的相位信息可以通过对连续几幅图像进行相位移动来获取。
通过分析这些图像的亮度变化和相位变化，可以计算出物体表面上各点的三维坐标。
立体匹配法是将投影仪和相机之间的相对位置关系转换为立体视觉问题，通过分析图像中的纹理、颜色、边缘等特征，寻找相应的匹配点对，从而恢复出物体表面上各点的三维坐标。
部分编码结构光三维测量技术的研究
Ｃ ｉａ ２ Ｓ ｅｚ ｅ ｕ ｈ ｓｉ ｌ ｈ ｎｈ ｎ５ ０ ， ｕ ｎ ｄ ｎ ｒｖｎｅ Ｃ ｉａ） ｈｎ ； ． ｈｎｈｎＬ ｏ ｕ ｐ ｔ ， ｅ ｚｅ １０ １Ｇ ａｇ ｏｇＰ ｏｉｃ， ｈｎ Ｈｏ ａ Ｓ ８ Ａｂｔａ ｔ ｓ ｃ：Ａ ｒｅｄｍｅ ｓ ｎｌ３Ｄ ｓａｅｍｅｓ ｍｅｔ ｔｏ ｓ ｇｐｒ ａ ｃｄｎ ｒｃ ｒｄｌ ｈ ｒｐ ｓｄ Ｔ ｉ ｒ ： ｔ ｅ—ｉ ｎｉ ａ （－ ） ｈ ｐ ａ￣ｅ ｎ ｍｅ ｄｕｉ ａ ｉｌ ｏ ｉｇｓｕ ｔ ｅ ｇ ｔｓ ｏ ｏｅ ． ｈｓ ｈ ｏ ｈ ｎ ｔ ｔ ｕ ｉ ｉｐ
第 ３ 卷第 ５ ９ 期
２ １ 年 ５月 ０２
光 电工程
Ｏｐ ｏ Ｅｌ ｃｒ ｎ ｃＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｔ — ｅ ｔｏ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉ
Ｖｂｌ３ Ｎｏ． －９． ５
Ｍ ａ ， ０１ ｙ２ ２
文章 编号 ：１０ —０ （０ ０— ０ ７０ ３５ ２ ）５ ０５ —６ ０ １ Ｘ １ ２
部分编码结构光三维 测量技 术 的研究
霍金城 ，吴庆 阳 ，曾祥军 ，邓 丽 ２
（． １ 深圳市微纳光子信息技术重点实验 室 ，广东 深圳 ５ ８ ６ ； １０ ０ ２ ．深圳 市罗湖医院 口腔科 ，广东 深圳 ５ ８０ ） １０ １
摘要 ：提 出了一种部分编码结构光三维面形测量方法，将相位展开技术与条纹编码 结合起 来，既有效地减少 了投
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
华中科技大学硕士学位论文面结构光三维测量系统的精度研究姓名：杜宪申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王从军20090522华中科技大学硕士学位论文摘要结构光测量系统在工业检测、人体测量、文物保护和反求工程等众多领域具有广泛的应用前景。
国外的面结构光三维测量技术已相对成熟，但设备价格昂贵。
国内也有一些单位开展了相关研究，但普遍存在着精度不高、稳定性差等缺点。
为此，本文在简要介绍结构光三维测量技术原理的基础上，系统分析了光栅条纹数和数字光栅投影装置的伽马非线性对测量精度的影响，以期进一步提高课题组前期开发的三维测量系统的精度。
面结构光三维测量系统，首先使用相移法和多频外差原理进行稳定高精度的相位计算；然后根据预先标定的系统参数，从得到的相位灰度图重构出被测物体的三维点云数据。
由三维重构过程可知，光栅周期数的增加可以降低立体匹配的误差，本文通过理论推导和实验研究，分析了不同光栅周期数对系统测量精度的影响，并为系统选择了一个最优的光栅周期数。
当周期数为110~120时，系统的测量精度最高，滤波后可达0.037mm。
此外，三维重构的精度还与相位计算的精度有关，根据现有研究，投影仪的伽马非线性是相位误差的主要来源。
本文分析了不同伽马值和不同条纹周期数的测量精度，发现条纹周期数抑制了伽马非线性，提高了相位计算的精度。
最后，通过分析不同距离的平面精度、拟合标准球直径及距离等测量实验，表明系统的测量精度稳定可靠，绝对测量精度可达0.05mm。
关键词：结构光;光栅周期数;误差;非线性华中科技大学硕士学位论文AbstractStructured Light Measurement System (SLMS) is widely used in many fields such as industrial inspection, human body measurement, Protection of Cultural Relics and reverse engineering etc. In abroad, SLMS is well developped, but they are always expensive. In China, lots of research work has been made on it, but they are poor in accuracy and stability. So, this paper, which is based on a brief introduction of the structured light measurement technology, analyzes the impact of the period number of fringe pattern and gamma non-linear of Digital Projector, attempt to further improve the precision of pre-development measurement system.In our SLMS, phase-shifting method and multi-frequency heterodyne principle were imployed to obtain phrase gray map, then 3D data could be reconstructed base on the pre-calibrated parameters.According to the process of 3D reconstruction, we found that the increase of the period number of fringe pattern can reduce the error. So this paper analyzed the relationship between period number of fringe pattern and accuracy through theoretical research and experiments. Then we can conclude that the optimal period number is 110~120 and the SLMS gets the highest precision which is up to 0.037mm after filtering.In addition, the calculated phase value can also affect the accuracy of 3D reconstruction. According to research, gamma non-linear of projector is the main error source of the phase error. This paper analyzes 3D date by using different gamma values and different the period numbers of fringe pattern, then found that the period number of fringe pattern can inhibit the effect of the gamma non-linear of projector and improved the accuracy of the phase calculation.Finally, a series of measurement experiment, such as analyses of the accuracy in different distance and fitting diameter and distance of the standard ball, shows that the accuracy of system is stable and repeatability and the absolute measurement accuracy is 0.05mm.Key words: Structured light; Period number of fringe pattern; Error; Non-linear独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
学位论文作者签名：杜宪日期： 2009年 5月 22日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在_____年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密√。
（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：杜宪指导教师签名：王从军日期：2009年5月29日日期： 2009年5月 29日华中科技大学硕士学位论文1 绪论近年来，随着光学、计算机以及图像处理等技术的发展，光学非接触式测量技术也得到很大发展。
非接触式测量由于具有测量速度快、测量精度高、非接触以及易于实现自动化测量等优点[1], 在测量领域中占有很重要的地位，广泛应用于各个领域。
尤其在当今社会，工业产品的设计和研发周期越来越短，借助三维测量技术可以加快产品的更新换代能力，提高生产厂家的竞争力。
非接触式三维测量设备由于可以离被测物体一段距离，因而更适合生产过程控制和在线实时检测，如汽车车身、飞机外壳、轮机叶片等加工制造中的实时在线检测[2]。
另外，对于危险区域中的检测，非接触式测量有其无可比拟的优势，特别是热态大型锻件的实时尺寸检测和异型材的断面尺寸检测，可以实现实时监控生产线的稳定性，有效得控制废品率。
非接触式三维测量技术也应用于人体和人脸测量[3]。
在人脸测量方面，传统的雕刻、泥塑等方法也能制作出栩栩如生的人像，但是需要较高的艺术素养和技术，较长的制作时间，成本也相对较高。
而利用光学非接触式三维测量技术实现人脸重构的方法则相对简单，如结合快速成形技术，则可以较快的制作人像。
使用非接触式设备测量物体的三维形貌时，因为测量手段为非破坏和非接触式，可以避免对被测物体（如贵重文物和软表面的物体）的损伤[4]，为文化遗产复原和保护提供了新的方法。
例如，可以借助先进的测量技术和虚拟现实技术对文物和文化遗产进行数字化展示，并且在文物辅助陈列和鉴定等很多方面具有重要的现实意义。
此外，测量技术在其它很多领域也有重要应用，不在此一一列举。
非接触式测量技术在国外已经比较成熟，国外的许多公司和高校，对非接触式测量技术的理论和产品的商品化进行了广泛的研究。
从总体上说，国内与国外商品化的产品相比还有很大的差距[5]。
国内已经商品化的产品普遍存在着设备精度不高、抗干扰性差、稳定性不好等缺点，尚未达到可以大面积推广与应用的水平[4]。
非接触式测量对于反求工程有非常重要的意义。
逆向工程（Reverse Engineerin g），也称反求工程，就是以现存的实物和模型为依据，对其三维形状进行测量并重构出数字模型，通过对数字模型的分析、修改等，可以达到对产品快速设计和造型华中科技大学硕士学位论文的目的[6]。
在现代产品开发的过程中，由于产品的形状愈趋复杂，并且消费者愈来愈追求造型美观和个性，所以产品外观不可难免得包含很多数学模型难以描述的自由曲面，所以产品设计师很难直接进行三维建模，反求工程为此提供了很好的解决方案。
因此，对非接触式的三维测量设备的精度和算法进行研究，能够从整体上加速我国对国外先进技术和设备的消化和吸收能力，提高产品的生产率和缩短新产品的研发周期，进而促进国内众多的中小企业生产力水平的提高。
另外，反求工程在对汽车、模具等行业的应用里具有十分独特的优势。
如车身造型，汽车内饰件，汽车零部件的造型都离不开反求工程。
所以，我们对反求设备进行研究和开发，具有巨大的经济效益和社会效益。
1.1光学测量方法概述1.1.1光学测量方法分类现在，三维测量设备和方法有很多种。